CN103981223A - 一种木薯渣发酵制备乙醇的方法 - Google Patents

一种木薯渣发酵制备乙醇的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种木薯渣发酵制备乙醇的方法，以木薯渣为原料，经粉碎、挤压、酸洗、分离、碱洗、酸洗、二次酶解、分开发酵、浓缩制得乙醇，本发明最大程度利用木薯渣中各有效成分，缩短了发酵时间，提高了乙醇得率。

Description

一种木薯渣发酵制备乙醇的方法
技术领域
本发明涉及一种利用木薯渣发酵生产乙醇的生产方法。
背景技术
木薯是世界种植非常广泛的薯类植物之一，主要种植地位于热带和亚热带地区。木薯现主要用于生产木薯淀粉，也可以直接加工成食品，还可以通过发酵生产乙醇、山梨醇、柠檬酸等产品，无论是何种用途，都不可避免产生大量的固体废弃物，一般统称为木薯渣，木薯渣干基中含有丰富的纤维素、半纤维素、淀粉等，木薯加工方式不同，木薯渣中各组成成分有很大差异，专利CN200810223312.3报道利用木薯制备燃料乙醇剩余的木薯渣干基中纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白、粗脂肪和淀粉的含量分别为25-30wt%、 10-12wt%、30-32wt%、4-6wt%、2-4wt%和 8-10 %。专利CN200810111159. 5 中报道的淀粉加工剩余的木薯渣干基中淀粉含量为35-45wt%。因此木薯渣的进一步利用非常必要。
目前，木薯工业产生的木薯渣多是焚烧以及发酵制备沼气的方式进行处理，少部分木薯渣即可用作动物饲料以及作为制作板材的原料。近年来，对木薯渣进行发酵生产乙醇方面的研究取得了一定的成果，基本原理是利用各种酶将木薯渣中的淀粉、纤维素和半纤维素水解成葡萄糖，葡萄糖再经发酵生成乙醇。专利CN200810223312. 3和CN200810223313. 8公开了利用木薯渣中的纤维素水解糖发酵制备乙醇的方法，包括将木薯渣的原料和酶混合，酶解含木薯渣原料中的纤维素，得到水解产物，并发酵该产物产乙醇，该发明采用批次补料糖化，分批次数至少两次，每批加入的含木薯渣的原料的量最多为全部含木薯渣原料重量的60%，采用该工艺，木薯渣的纤维素水解率为85. 4-92. 5%。专利CN 201010220767将木薯渣中的淀粉、纤维素和半纤维素进行预水解，然后调整至32℃～44℃，加入酿酒酵母，进行同步水解转化和发酵生产乙醇。专利CN 201310436231以木薯渣为原料，经液化、纤维素酶和淀粉糖化酶共同糖化发酵制备乙醇。
现有技术中，存在的主要问题为酶解效率不高，体现在：（1）同时多种酶进行酶解，因各种酶适宜的条件不同，木薯渣中的淀粉、纤维素和半纤维素，以及其他聚合糖类难以同时完全水解成葡萄糖，最终乙醇得率不高；（2）分次酶解，虽然各成分水解完全，乙醇得率提高，但是酶解时间延长。因此，进一步研究木薯渣生产乙醇，减少各种酶的使用量，缩短酶解时间，从而提高糖化率和乙醇得率，对于有效利用木薯渣是非常必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种省时以及高乙醇得率的木薯渣发酵制备乙醇的方法。
为实现本发明的目的，采用以下技术方案。
一种木薯渣发酵制备乙醇的方法，该方法包括如下具体步骤：
a. 将木薯渣加水浸润，湿法粉碎；
b. 将粉碎后的产物，进挤出机挤压；
c. 取步骤b所得的挤压物料，加入木薯渣2倍质量的水，再加酸调至pH为2-6，加热至80-95℃，搅拌浸泡2-4h，过滤得滤液和滤渣A，滤液减压浓缩至原体积1/3得滤液A；
d. 取步骤c所得的滤渣A，加入木薯渣2倍质量的水，加碱调至pH为7-9，加热至80-95℃，搅拌浸泡2-6h后，加酸调节pH至4-7，保温80-95℃搅拌浸泡2-4h；
e. 向步骤d所得的物料中加入木聚糖酶和糖化酶，用功率为160-200W的超声波超声1-2min后关闭超声波，保温酶解1.5小时后，再次超声波超声1-2min，保温酶解1.5小时后，酶解温度为40-60℃；
f. 向步骤e所得的物料中加入糖化酶、淀粉酶和纤维素酶，用功率为100-150W的超声波超声1-2min后关闭超声波，保温酶解2小时后，再次超声波超声1-2min后关闭超声波，保温酶解2小时后，酶解温度为60-80℃。酶解完成后，过滤得滤液和滤渣B，滤液减压浓缩至原体积1/3得滤液B；
g. 向步骤c所得滤液A中接入毕赤树酵母发酵后的含乙醇的发酵液A；
h. 向步骤f所得滤液B中接入酿酒酵母发酵后的含乙醇的发酵液B；
i. 取步骤g的发酵液A和步骤h的发酵液B过滤后混合，再经精馏提纯得到浓度为95%以上的乙醇。
 步骤a木薯渣湿法粉碎后过20目筛，加入水的质量为木薯渣质量的20-45%。此处加入水量不宜过多，浸湿物料即可。
粉碎过筛后的木薯渣物料在挤出机中，在设定的参数下挤压，在出口处瞬间减压，从而膨胀得蓬松物料，一方面有利于木薯渣中淀粉、纤维素和木质素的分离，提高淀粉和纤维素对酶的可及性，其次挤压有利于打破纤维素的结晶结构，进一步提高纤维素对酶的可及性。步骤b所述的挤出机为塑料加工工业常用的单螺杆挤出机，挤出温度为100-120℃，螺杆转速100-200转/分钟，步骤b所述的滤液A是经纳滤膜过滤后浓缩获得，入膜压力为2-4Mpa。
步骤c和步骤d加入的酸液为盐酸、磷酸、硫酸、柠檬酸的一种或几种的组合；步骤d加入的碱液为氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化钙的一种或几种的组合。其中，步骤c加酸液清洗所得滤液A为含戊糖和其它可溶性糖的混合溶液；滤渣A为淀粉、纤维素、半纤维素和木质素。步骤d先用碱洗在用酸调节pH至酸性酶解，碱洗提高纤维素的水解效率。
步骤e木聚糖酶的加入量为1.5-2U/g干木薯渣，糖化酶的加入量为20-30U/g干木薯渣。本步骤同时加入2种酶，木聚糖酶促进木薯渣中存在的半纤维素的水解，糖化酶促进木薯渣中淀粉初步水解。
步骤f糖化酶的加入量为30-50U/g干木薯渣，淀粉酶的加入量为15-20U/g干木薯渣， 纤维素酶的加入量为3-6U/g干木薯渣。本步骤同时加入3种酶，协同促进木薯渣中存在纤维素和淀粉的水解。
步骤e和步骤f使用超声，能够加速酶的分散以及促进酶与底物的接触，提高水解率。超声功率设定在160-200W和100-150W，功率的大小与使用酶的种类经过优选确定。步骤f中的滤液B是经纳滤膜过滤后浓缩获得，入膜压力为2-4Mpa。
步骤g毕赤树酵母接种浓度5-15g/L，在30-50℃、通气比为0.2-0.8的好氧条件下发酵36-48h。
步骤h酿酒酵母接种浓度5-18g/L，在30-50℃、厌氧条件下发酵36-48h。
本发明提供的一种木薯渣发酵制备乙醇的方法，其优点在于：
（1）木薯渣经挤压后，能有效使淀粉、纤维素与木质素分离，增加淀粉和纤维素与酶的可及性，水解更加充分，糖化率提高。
（2）步骤C酸液洗涤的含戊糖等可溶性糖，并针对该种糖单独发酵，提高木薯渣的综合利用效率。
（3）酶解分二次进行，首次加入木聚糖酶和糖化酶，第二次为淀粉酶、糖化酶和纤维素酶，二次酶解的主要对象不同，首次对象为半纤维素，第二次对象为淀粉和纤维素，进过本发明提出的二次酶解方案，提高水解效率，能够充分利用木薯渣中的有效成分。
（4）酶解过程中，使用超声方式，一方面能够增加酶与底物的接触，另一方面提高酶在酸性条件下的活性，提高水解率，减少水解时间。
具体实施方式
以下结合数个实施例进一步说明本发明以及创新之处。应当理解，所列出的实施例仅用于具体说明本发明而非对本发明的进一步限定，本领域技术人员在充分理解之后可以对实施例进行适当调整，这些仍然在本发明的保护范围之内。
实施例1 
将10kg木薯渣加2.0kg水，粉碎后过20目筛，在100°C、螺杆转速100转/分钟条件下经螺杆造压，在出口处瞬间减压膨化得到多孔蓬松物料；将上述多孔蓬松物料中加入20kg水，搅拌条件下用浓硫酸调节pH2.0，加热至80℃，搅拌浸泡2.0h，过滤得滤液和滤渣A，滤液减压浓缩至原体积1/3得滤液A；
将滤液A在30°C、通气比为0. 2的好氧条件下经5 g/L毕赤树干酵母发酵36h后得到乙醇溶液；
滤渣A中加入20kg水，搅拌条件下用氢氧化钠调节pH为7.0，加热至80℃，搅拌浸泡2.0h，加硫酸调节pH为4.0，保温浸泡2h后，加入木聚糖酶和糖化酶水解，加入量为木聚糖酶1.5U/g干木薯渣，糖化酶20U/g干木薯渣，再用功率为160W的超声波超声1min后关闭超声波，保温酶解1.5小时后，再次超声波超声1min，保温酶解1.5小时后，酶解温度为40℃；
向上述所得的物料中加入糖化酶、淀粉酶和纤维素酶，糖化酶的加入量为30U/g干木薯渣，淀粉酶的加入量为15U/g干木薯渣， 纤维素酶的加入量为3U/g干木薯渣。用功率为100W的超声波超声2min后关闭超声波，保温酶解2小时后，再次超声波超声2min后关闭超声波，保温酶解2小时后，酶解温度为60℃。酶解完成后，过滤得滤液和滤渣B，滤液减压浓缩至原体积1/3得滤液B；
将滤液B在30°C、厌氧发酵条件下经5 g/L酿酒酵母发酵36h后得到乙醇溶液。
最后将滤液A和滤液B发酵得到的乙醇溶液精馏提浓后得到纯度为95 %的乙醇。
实施例2 
将10kg木薯渣加2.5kg水，粉碎后过20目筛，在105°C、螺杆转速145转/分钟条件下经螺杆造压，在出口处瞬间减压膨化得到多孔蓬松物料；将上述多孔蓬松物料中加入20kg水，搅拌条件下用磷酸调节pH为5.2，加热至92℃，搅拌浸泡3h，过滤得滤液和滤渣A，滤液减压浓缩至原体积1/3得滤液A；
将滤液A在45°C、通气比为0.6的好氧条件下经8 g/L毕赤树干酵母发酵36h后得到乙醇溶液；
滤渣A中加入20kg水，搅拌条件下用氢氧化钠调节pH为8.2，加热至90℃，搅拌浸泡3.5h，加磷酸调节pH为5.5，保温浸泡3h后，加入木聚糖酶和糖化酶水解，加入量为木聚糖酶1.8U/g干木薯渣，糖化酶26U/g干木薯渣，再用功率为180W的超声波超声1min后关闭超声波，保温酶解1.5小时后，再次超声波超声1min，保温酶解1.5小时后，酶解温度为50℃；
向上述所得的物料中加入糖化酶、淀粉酶和纤维素酶，糖化酶的加入量为40U/g干木薯渣，淀粉酶的加入量为18U/g干木薯渣， 纤维素酶的加入量为4U/g干木薯渣。用功率为120W的超声波超声1min后关闭超声波，保温酶解2小时后，再次超声波超声1min后关闭超声波，保温酶解2小时后，酶解温度为70℃。酶解完成后，过滤得滤液和滤渣B，滤液减压浓缩至原体积1/3得滤液B；
将滤液B在45°C、厌氧发酵条件下经12 g/L酿酒酵母发酵36h后得到乙醇溶液。
最后将滤液A和滤液B发酵得到的乙醇溶液精馏提浓后得到纯度为95 %的乙醇。
实施例3 
将10kg木薯渣加4.5kg水，粉碎后过20目筛，在120°C、螺杆转速200转/分钟条件下经螺杆造压，在出口处瞬间减压膨化得到多孔蓬松物料；将上述多孔蓬松物料中加入20kg水，搅拌条件下用磷酸调节pH为6.0，加热至95℃，搅拌浸泡3h，过滤得滤液和滤渣A，滤液减压浓缩至原体积1/3得滤液A；
将滤液A在50°C、通气比为0.8的好氧条件下经15 g/L毕赤树干酵母发酵36h后得到乙醇溶液；
滤渣A中加入20kg水，搅拌条件下用氢氧化钠调节pH为9.0，加热至95℃，搅拌浸泡6.0h，加磷酸调节pH为7.0，保温浸泡4h后，加入木聚糖酶和糖化酶水解，加入量为木聚糖酶2.0U/g干木薯渣，糖化酶30U/g干木薯渣，再用功率为200W的超声波超声2min后关闭超声波，保温酶解1.5小时后，再次超声波超声2min，保温酶解1.5小时后，酶解温度为60℃；
向上述所得的物料中加入糖化酶、淀粉酶和纤维素酶，糖化酶的加入量为50U/g干木薯渣，淀粉酶的加入量为20U/g干木薯渣， 纤维素酶的加入量为6U/g干木薯渣。用功率为150W的超声波超声2min后关闭超声波，保温酶解2小时后，再次超声波超声2min后关闭超声波，保温酶解2小时后，酶解温度为80℃。酶解完成后，过滤得滤液和滤渣B，滤液减压浓缩至原体积1/3得滤液B；
将滤液B在50°C、厌氧发酵条件下经18 g/L酿酒酵母发酵48h后得到乙醇溶液。
最后将滤液A和滤液B发酵得到的乙醇溶液精馏提浓后得到纯度为95 %的乙醇。
对比实施例1
木薯渣湿法粉碎后，不经挤出机处理，其余按实施例2的方法发酵制备乙醇。.
对比实施例2
按实施例2的方法发酵制备乙醇，其中酶解时不使用超声。.
对比实施例3
按实施例2的方法发酵制备乙醇，酶解同时进行，酶的加入量与实施例2一致，酶解温度为60℃，酶解时间7.5h。.
对比实施例4
将10kg木薯渣加4.5kg水，粉碎后过20目筛，在120°C、螺杆转速200转/分钟条件下经螺杆造压，在出口处瞬间减压膨化得到多孔蓬松物料；将上述多孔蓬松物料中加入40kg水，搅拌条件下用氢氧化钠调节pH为8.0，加热至95℃，搅拌浸泡3.5h，加磷酸调节pH为5.5，保温浸泡3h后，其余按实施例2的方法进行。
实施例4
本领域中，乙醇理论产量为1kg木薯渣淀粉在理想条件下完全转化能够得到得到567.9g乙醇，以此为基准，乙醇得率=（实际产量/理论产量）×100%。
乙醇含量测定：按GB/T 678-2002乙醇含量测定方法测定。
实施例1-3、对比实施例1-4乙醇得率结果见表1，结果表明，本发明方案乙醇得率较高，减少挤压、不使用超声、改变酶解方式、不进行分开发酵，乙醇得率均有所下降。
表1 实施例和对比实施例乙醇得率结果
组别 乙醇得率（%）
实施例1 98.4
实施例2 99.6
实施例3 99.5
对比实施例1 91.5
对比实施例2 90.2
对比实施例3 88.7
对比实施例4 86.4

Claims (9)

1.一种木薯渣发酵制备乙醇的方法，该方法包括：
a. 将木薯渣加水浸润，湿法粉碎；
b. 将粉碎后的产物，进挤出机挤压；
c. 取步骤b所得的挤压物料，加入木薯渣2倍质量的水，再加酸调至pH为2-6，加热至80-95℃，搅拌浸泡2-4h，过滤得滤液和滤渣A，滤液减压浓缩至原体积1/3得滤液A；
d. 取步骤c所得的滤渣A，加入木薯渣2倍质量的水，加碱调至pH为7-9，加热至80-95℃，搅拌浸泡2-6h后，加酸调节pH至4-7，保温80-95℃搅拌浸泡2-4h；
e. 向步骤d所得的物料中加入木聚糖酶和糖化酶，用功率为160-200W的超声波超声1-2min后关闭超声波，保温酶解1.5小时后，再次超声波超声1-2min，保温酶解1.5小时后，酶解温度为40-60℃；
f. 向步骤e所得的物料中加入糖化酶、淀粉酶和纤维素酶，用功率为100-150W的超声波超声1-2min后关闭超声波，保温酶解2小时后，再次超声波超声1-2min后关闭超声波，保温酶解2小时后，酶解温度为60-80℃；
酶解完成后，过滤得滤液和滤渣B，滤液减压浓缩至原体积1/3得滤液B；
g. 向步骤c所得滤液A中接入毕赤树酵母发酵后的含乙醇的发酵液A；
h. 向步骤f所得滤液B中接入酿酒酵母发酵后的含乙醇的发酵液B；
i. 取步骤g的发酵液A和步骤h的发酵液B过滤后混合，再经精馏提纯得到浓度为95%以上的乙醇。
2.根据权利要求1所述的一种木薯渣发酵制备乙醇的方法，其特征在于步骤a木薯渣湿法粉碎后过20目筛，加入水的质量为木薯渣质量的20-45%。
3.根据权利要求1所述的一种木薯渣发酵制备乙醇的方法，其特征在于步骤b所述的挤出机为塑料加工工业常用的单螺杆或双螺杆挤出机，挤出温度为100-120℃，螺杆转速100-200转/分钟。
4.根据权利要求1所述的一种木薯渣发酵制备乙醇的方法，其特征在于步骤c和步骤d加入的酸液为盐酸、磷酸、硫酸、柠檬酸的一种或几种的组合；步骤d加入的碱液为氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化钙的一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述的一种木薯渣发酵制备乙醇的方法，其特征在于步骤e木聚糖酶的加入量为1.5-2U/g干木薯渣，糖化酶的加入量为20-30U/g干木薯渣。
6.根据权利要求1所述的一种木薯渣发酵制备乙醇的方法，其特征在于步骤f糖化酶的加入量为30-50U/g干木薯渣，淀粉酶的加入量为15-20U/g干木薯渣， 纤维素酶的加入量为3-6U/g干木薯渣。
7.根据权利要求1所述的一种木薯渣发酵制备乙醇的方法，其特征在于步骤b所述的滤液A是经纳滤膜过滤后浓缩获得，入膜压力为2-4Mpa,；步骤f所述的滤液B是经纳滤膜过滤后浓缩获得，入膜压力为2-4Mpa。
8.根据权利要求1所述的一种木薯渣发酵制备乙醇的方法，其特征在于步骤g毕赤树酵母接种浓度5-15g/L，在30-50℃、通气比为0.2-0.8的好氧条件下发酵36-48h。
9.根据权利要求1所述的一种木薯渣发酵制备乙醇的方法，其特征在于步骤h酿酒酵母接种浓度5-18g/L，在30-50℃、厌氧条件下发酵36-48h。
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